Chương 7: CẢM BIẾN (SENSOR) doc

7.2.1.Đặc điểm Phát hiện vật không cần tiếp xúc  Tốc độ đáp ứng nhanh  Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi  Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt... Khoảng cách phát hiện

Chương 7:

CẢM BIẾN (SENSOR)

Giảng viên: NINH VĂN TIẾN

Nội dung

 7 1 Khái quát

 7.2 Cảm biến tiệm cận

7.1 KHÁI QUÁT

7.1.1 Khái niệm & phân loại

7.1.2 Phân loại cảm biến

7.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

7.1.1 Khái niệm

 Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý

và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại

lượng có thể đo và xử lý được.

 Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt

độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp,

dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó

 Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

S = F(M)

 Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

7.1.2 Phân loại cảm biến

 Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau đây:

 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích

 Phân loại theo dạng kích thích

 Phân loại theo phạm vi sử dụng

 Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích

Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

Vật lý - Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ

- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện

- Nhiệt từ

Hoá học - Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ…

Sinh Học - Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phân loại theo dạng kích thích

Âm

thanh -Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóng

Điện -Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp

-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ -Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ

thẩm Quang -Biên, pha, phân cực,phổ; -Tốc độ truyền

-Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

Cơ -Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc

-Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng -Vân tốc chất lưu, độ nhớt…

Theo tính năng của bộ cảm biến

Theo tính năng của bộ cảm biến

Phân loại theo phạm vi sử dụng

 Khả năng quá tải

Phân loại theo phạm vi sử dụng

 Công nghiệp

 Nghiên cứu khoa học

 Môi trường, khí tượng

 Thông tin, viễn thông

 Nông nghiệp

 Dân dụng

 Vũ trụ

 Quân sự

Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

 Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng

vào

7.1.3 Đường cong chuẩn của

cảm biến

 Đường cong được biểu thể biểu diễn bằng biểu thức đại

số dưới dạng S = F (M) hoặc bằng đồ thị sau đây:

0 0

m m

7.1.3 Đường cong chuẩn của

cảm biến

 Dạng đường cong chuẩn

 Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông qua giá trị đo được Si của S

 Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có

sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S = AM+B với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là đường thẳng

7.2.1.Đặc điểm

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc

 Tốc độ đáp ứng nhanh

 Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

 Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng

 Vật chuẩn (standard sensing object)

 Khoảng cách phát hiện (sensing distance)

 Khoảng cách cài đặt (Setting distance)

 Thời gian đáp ứng (Response time)

 Tần số đáp ứng (Response Frequency)

Vật chuẩn (standard sensing

Khoảng cách phát hiện (sensing distance)

 là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật chuẩn xa nhất mà sensor cĩ thể phát hiện được

Đối tượng Cảm Biến

OFF ON

Bề mặt cảm biến

biến

Cảm biến tiệm cận

Khoảng cách Phát hiện

Khoảng cách Reset

Khoảng cách cài đặt (Setting distance)

Đối tượng của Cảm Biến

Cảm biến tiệm cận

Ngõ ra

Bề mặt cảm biến

Khoảng cách ước lượng

Khoảng cách cài

Thời gian đáp ứng (Response

time)

Đối tượng của Cảm Biến

Cảm biến tiệm cận

Ngõ ra

Bề mặt cảm

T1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ON

T2: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi ra khỏi vùng phát hiện của sensor tới

Vật cảm biến

2M

M zM

T1 T2 T3

f = 1 / T1 +T2

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm

ứng

 Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng qua đối tượng kim loại đặt đối diện với nó Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucaul cảm ứng lên trên mặt đối tượng tạo nên một tải gỉm tín hiệu dao động Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động Mạch phát hiện ở vị trí ON phát tín hiệu mặt đầu ra ở vị trí ON

 Từ trường do cuộn dây cảm biến thay đổi khi tương tác với vật thể bằng kim loại Do đó, loại cảm biến này chỉ phát hiện vật thể bằng kim loại

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm

ứng

 Đặc điểm:

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc

 Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

 Tốc độ đáp ứng nhanh

 Làm việc trong môi trường khắc nghiệt

 Làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị ảnh hưởng của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của nguồn ký sinh

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm

ứng

 Cảm biến sử dụng điện áp một chiều khoảng 10-30VDC, đầu ra cảm biến chịu dòng điện nhỏ (tối đa khoảng

200mA), đo đó thường đấu nối ra thiết bị trung gian

(rơle trung gian, bộ điều khiển cảm biến )

Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện

chất lỏng, vật liệu phi kim, thuỷ tinh, nhựa Tốc độ

chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối

tượng có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn

 Cảm biến điện dung chịu ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm Cảm biến điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện cảm

Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

7.2.6 Cảm biến quang

 Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu vào nguồn sáng thích hợp vào cảm biến, tính chất dẫn điện của cảm biến thay đổi, làm mạch tín hiệu cảm ứng thay đổi theo Như vậy thơng tin ánh sáng được chuyển thành thơng tin của tín

ĐẦU PHÁ T

ĐẦ

U

VẬTTHỂ

AMP AMP

7.2.6 Cảm biến quang

Điện áp Điện áp

Mức ngưỡng OK

7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển

 Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật

 Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi

và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và

trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi

7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển

 Nếu 2 ngõ ra là A và B, tính A/(A+B) và sử dụng các giá trị thích hợp để tăng hệ số “k” và Offset “C”

7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam)

 Đặc điểm:

 Độ tin cậy cao

 Khoảng cách phát hiện xa

 Khơng bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

Đầu phát Đầu thu

Khoảng cách phát hiện

Göông

7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)

 Đặc điểm:

 Dễ lắp đặt

 Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền

Vật Khoảng cách phát

hiện

7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản

xạ giới hạn (Limited Reflective)

 Đặc điểm:

 Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn

 Khơng bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biến

 Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

Khoảng cách phát hiện Trục thu Đầu thu và đầu phát

Vật Trục phát

Nền

7.2.6 Các ứng dụng cảm biến

trong công nghiệp

 Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp Một vài ứng dụng điển hình

 Phát hiện màn trong

 Phát hiện dấu/vết trên nền

 Phát hiện dây băng

 Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp

 Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy

 Phát hiện nắp nhôn trên chai nước

 Phát hiện chai PET

7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

 Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền

 Phân biệt chiều cao của nắp

 Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp

 Cảm biến phát hiện màu

 Đo đường kính của ống

 Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm

 Phát hiện nắp lọ bị lỏng

 Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin

 Phát hiện lon kim loại

Phát hiện màn trong

 E3S-R12 là sensor chuyên dùng để phát hiện các màn trong suốt với độ tin cậy cao Các sensor quang thông thường không thể xác định được chính xác như vậy

Phát hiện dấu/vết trên nền

 E3X-DA là sensor có đèn led màu đỏ/màu xanh

dương hoặc xanh lá cho phép phát hiện độ tương phản giữa các điểm, các vết màu trên nền Người kỹ

sư rất dễ vận hành nhờ nút Tech trên sensor

Phát hiện dây băng

 Bao thuốc lá được bọc bởi một vỏ bọc nylon sáng màu

và có 1 dy băng để dễ dàng bóc lớp bao này ra Có thể dùng sensor trong trường hợp này để phát hiện dây

băng này có nằm đúng vị trí hay không E3C-VM35R rất nhỏ, có thể phát hiện vật thể có kích thướt nhỏ đến

0,2mm Nó cũng phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ về màu sắc

Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp

 Nắp lọ/hộp được bọc bởi một lớp plastic bảo vệ niêm

phong ngăn không khí, vỏ bọc này rất mỏng, trong

suốt, và bóng láng Một sensor truyền thống không thể phát hiện được chính xác đối tượng có độ bóng cao như vậy Omron đã sáng chế ra loại sensor cụ thể đáp ứng được yêu cầu trên là: E3X-NL11 dùng với đầu E32-

S15L1 với độ tin cậy cao

Phát hiện nhãn bằng plastic bóng

trên giấy

 Nhãn giấy bằng plastic có độ phản xạ rất cao mà các loại sensor trước đây không thể phát hiện được Sensor E3X-NL11 với đầu fiber E32-S15L-1 của OMRON có thể được dùng để phát hiện các vật thể bóng loáng như

trong trường hợp này

Phát hiện nắp nhôm trên chai nước

 Nhiệm vụ là phát hiện nắp nhôm trên chai nước C2A là sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể

E2CY-bằng nhôm với độ tin cậy cao Nó rất dễ cài đặt, chỉ cần

ấn nút TEACH trên bộ khuyếch đại

Phát hiện chai PET

 Chai PET thường rất mỏng và chứa nước hoặc chất lỏng trong suốt Hình dạng của chai là hình trọn hoặc hình vuông với các gờ cạnh Do vậy, việc dùng các loại

sensor quang thông thường để phát hiện sẽ không tin cậy Omron đã phát triển 1 loại sensor đặc biệt dùng

cho mục đích này là model E3Z-B với độ tin cậy cao

Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền

 Phát hiện mẩu bánh, kẹo với kích thướt và hình dạng, màu sắc khác nhau mà không cần phải cài đặt, thiết lập phức tạp E3S-CL là loại Photosensor của OMRON với khoảng cách phát hiện xác định và điều chỉnh được dễ dàng

Phân biệt chiều cao của nắp

 E3G-L1 là loại photosensor đặt được khoảng cách thế hệ mới Nó có thể phát hiện 1 cách chính xác sự khác biệt

dù là nhỏ nhất về chiều cao vật Hoạt động của sensor không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thướt vật thể Có thể dể dàng

chỉnh được khoảng cách phát hiện của sensor bằng nàn hiển thị kép

Phát hiện mức sữa/nước trái

cây bên trong hộp

 Phát hiện sữa/nước trái cây bên trong hộp màu trắng, không trong suốt (hộp đã đóng nắp) E3Z-T61 với tia sáng mạnh, có thể xuyên qua lớp vỏ bọc giấy bên ngoài của hộp và do đó có thể phát hiện được sữa/trái cây có bên trong hộp giấy hay không E2K-C là sensor tiệm cận công suất lớn, nó cũng có thể phát hiện được có chất lỏng bên trong hộp hay không

Cảm biến phát hiện màu

 Nhiệm vụ là phát hiện bàn chải đánh răng và phân loại các màu khác nhau E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ dàng nhận biết màu của vật theo yêu cầu (có chức năng Teach) Tín hiệu ra của E3MC có thể nối với bộ điều

khiển để phân loại, xác định lỗi …

Đo đường kính của ống

 Sensor laser với tia sáng song song Z4LC là loại cho

phép đo đường kính ống với độ chính xác cao mà không cần tiếp xúc

Kiểm tra hiện tượng thủng nắp

thiếc, nắp nhôm

 Bằng cách kiểm tra độ lõm của nắp Sensor lazer ZX có thể phân biệt được độ chênh lệch chiều cao rất nhỏ, do vậy khi nắp bị dẹp (do thủng lỗ) hay lồi lên, đầu ra sẽ được cảnh báo ngay với tốc độ hoạt động khá cao

Phát hiện nắp lọ bị lỏng

 Phát hiện nắp lọ bị lỏng với Z4LB-S10V2 của loại sensor thông minh ZX-LT với tia lazer song song có thể phát hiện được nắp lọ bị lỏng hoặc các ứng dụng tương tự chính xác tới vài micromet

Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin

 Sensor F10 hoạt động trên nguyên tắc bắt hình và so với mẫu đã lưu Do đó ta có thể kiểm tra sản phẩm có hình ảnh không đúng như mẫu đã lưu (hình bị quay,

nghiêng, sai loại…)

Phát hiện lon kim loại

 Phát hiện các lon kim loại đang di chuyển trên băng

chuyền E2EV là loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, có thể phát hiện tất cả các kim loại, ngoài ra còn có loại sensor phát hiện sắt từ(E2E) và sensor chỉ phát hiện nhôm/đồng là E2EY